УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ ЗАГОТОВОК Российский патент 1997 года по МПК B22D11/10 

Изобретение относится к металлургии, в частности к процессам непрерывной разливки металла в водоохлаждаемый кристаллизатор.

Прототипом заявляемого изобретения является устройство для непрерывной разливки плоских слитков [1] содержащее промежуточный ковш, кристаллизатор с широкими и узкими гранями и глуходонный погружной разливочный стакан с эксцентрично расположенными плоскими вертикальными выходными отверстиями для выпуска жидкого металла, причем параметры выходных отверстий, диаметры стакана, длина широкой и узкой грани связаны между собой установленными зависимостями.

Недостаток погружного разливочного стакана с эксцентричными плоскими вертикальными выходными отверстиями устройства [1] состоит в том, что не приемлем для разливки металла в кристаллизатор с подвижными вертикальными и наклонными стенками [2] Это обусловлено неравномерным омыванием жидким металлом образующейся корочки с ее оплавлением, что особенно проявляется в нижней части наклонных граней с жидким металлом. Неравномерное омывание корочки приводит к различной ее толщине по высоте кристаллизатора, а соответственно к перегреву стенок кристаллизатора. В связи с этим уменьшается эффективность работы системы водяного охлаждения кристаллизатора по причине местного (локального) перегрева граней кристаллизатора на ограниченном участке.

Кроме этого, использование стакана с эксцентричными выходными отверстиями в устройстве [1] позволяет лишь только выравнять поле скоростей и температур расплава, а также толщины корочки в направлении струи металла. Однако с противоположной стороны стакана в пристеночных слоях стенок температура металла остается неравномерной по причине незначительного перемешивания металла в горизонтальной плоскости по замкнутому контуру. Дополнительно к этому, разливка металла через стакан устройства [1] не позволяет регулировать интенсивность теплообмена и перемешивания при разливке металла через стакан с одними параметрами в кристаллизаторы различных поперечных сечений.

Заявляемое устройство направлено на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывно-литых заготовок.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого устройства, заключается в повышении:
1) эффективности работы системы водяного охлаждения кристаллизатора;
2) надежности работы кристаллизатора;
3) производительности процесса получения непрерывно-литой заготовки;
Заявляемое устройство характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: кристаллизатор с широкими и узкими стенками; стенки кристаллизатора выполнены с возможностью перемещения, две из них вертикальные, а две расположены под углом "γ" к вертикали; промежуточный ковш с глуходонным погружным разливочным стаканом с двумя сквозными отверстиями, расположенными напротив друг друга в нижней части боковой поверхности стакана.

Отличительные признаки: оси отверстий для выхода металла параллельны наклонным стенкам и составляют с горизонтальной плоскостью угол α = 5÷10^°; внутренняя форма отверстий спрофилирована по закону
y 0,5x^m,
где m=2,3,4; разливочный стакан установлен в кристаллизаторе с поворотом вокруг собственной оси на угол β = 2-10^°; донная часть стакана выполнена сферической с радиусом R=(1,5-6,0)b при расстоянии между внутренними кромками отверстий в донной части стакана С=(1-10)b, где b ширина выходного отверстия стакана.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Выполнение внутренней профилированной формы отверстия по закону y=0,5x^m (m=2,3,4) приводит к перераспределению скоростей потока на ней, и соответственно к изменению направления истечения металла из отверстий. Увеличение кривизны поверхности кривой АВС на фиг.2 больше искривляет поток. При изменении профиля кривой АВС на фиг.2 из положения 1 в 3 значение показателя степени уменьшается (m₁=4, m₂=3, m₃=2).

Для придания параллельного течения с наклонными гранями кристаллизатора разливочный стакан установлен в кристаллизаторе с поворотом вокруг собственной оси на угол β = 2-10^° на фиг.4. При профилировании поверхности отверстий стакана по закону y=0,5x^m поочередно со значением m=2;3;4 разливочный стакан устанавливается в кристаллизаторе с поворотом вокруг собственной оси соответственно на угол β = 10;5 и 2^°..

Угол поворота стакана вокруг собственной оси β = 2-10^° зависит от длины наклонной стенки, наружного диаметра стакана, вида разливаемого металла и для каждого конкретного случая устанавливается индивидуально. Уменьшение угла поворота β < 2^° приводит к смещению потока металла, вытекающего из отверстия стакана, к противоположной по отношению к отверстию наклонной стенки кристаллизатора. В результате ухудшается перемешивание металла в горизонтальной плоскости и возрастает неравномерность распределения скоростей и температур расплава в пристеночных слоях стенок. Увеличение угла поворота β > 10^° приводит к размыванию корочки на ограниченном участке, что увеличивает степень ее разнотолщинности по периметру кристаллизатора. Кроме этого, при угле β > 10^° ухудшается перемешивание металла в области вертикальных стенок за счет потери энергии потока на трение с корочкой в районе наклонных граней.

При истечении металла из отверстий стакана движение расплава в кристаллизаторе происходит по спирали на фиг.4 с образованием двух вихрей и перемешиванием его в горизонтальной плоскости кристаллизатора.

Необходимость выполнения осей выходных отверстий стакана, параллельными наклонным отверстиям кристаллизатора на фиг.1 и 3, вытекает из следующих соображений.

Равномерное омывание корочки и создание ее одинаковой толщины по поверхности наклонной стенки выравнивает температуру металла и тепловой поток, передаваемый корочкой к стенке и охлаждающей воде, что следует из формулы

где λ коэффициент теплопроводности металла, d толщина корочки, t₁ и t₂ температура корочки соответственно со стороны жидкого металла и обращенная к стенке кристаллизатора.

Кроме этого, увеличение поверхности контакта струи с омываемой корочкой и скорости металла, приводит к увеличению поверхности теплообмена и коэффициента теплоотдачи расплава, что в итоге увеличивает количество передаваемого тепла стенке кристаллизатора и следует из формулы
Q = α_мF(t_м- t₁), (2)
где α_м = f(ω) коэффициент теплоотдачи жидкого металла, зависящий от скорости ω металла; F=la поверхность контакта струи с корочкой, l и а - соответственно длина поверхности контакта струи и ее фронт (ширина струи); t_м и t₁ соответственно температура жидкого металла и поверхности корочки.

Увеличение поверхности контакта струи с корочкой в продольном и поперечном направлениях наклонной стенки в итоге увеличивает эффективность работы системы охлаждения кристаллизатора за счет равномерного ее прогрева на большей поверхности. Увеличение эффективности системы охлаждения заключается в увеличении количества тепла, отводимого охлаждающей водой при постоянном ее расходе, что следует из формул
Q Cm(t_вых t_вх), (3)
Q = α_вF(t_с- t_в), (4)
где α_в соответственно удельная теплоемкость воды и коэффициент ее теплоотдачи; m массовый секундный расход воды; t_вых и t_вх - соответственно температура воды на выходе и входе в водоохлаждаемый канал; t_c и t_в соответственно температура внутренней поверхности водоохлаждаемого канала и воды в данном сечении; F = πdl площадь поверхности теплообмена одного канала; d внутренний диаметр канала, l длина канала.

Дополнительно к этому, равномерное омывание корочки металла и создание ее одинаковой толщины облегчает разрушение закристаллизовавшегося металла в процессе перемещения стенки и исключает забивание проходного сечения кристаллизатора обломки корочки различного размера, в результате повышается надежность и производительность работы заявляемого устройства.

При разливке металла в кристаллизатор с подвижными вертикальными и наклонными стенками значение угла наклона оси выходного отверстия под углом "α" к горизонтальной плоскости стакана на фиг.5 должно быть минимальным и составляет α = 5-10^°. Это обусловлено тем, что глубина ванны жидкого металла в таком кристаллизаторе ограничена и заканчивается на наклонных стенках в области обжатия заготовки. При угле наклона оси выходного отверстия меньше 5^o (α < 5^°) возможно скачивание шлака с мениска жидкого металла, что особенно проявляется при недостаточной глубине погружения стакана в расплав. Увеличение угла наклона оси α > 10^° приводит к соударению струи жидкого металла с заготовкой в зоне обжатия и создает область повышенного давления в месте взаимодействия струи и, как результат, образование колебательного движения металла (волны на поверхности мениска), увеличивающее окисление металла.

Изготовление донной части стакана сферической с радиусом R (1,5-6,0)b на фиг.1, где b ширина выходного отверстия, улучшает перемешивание металла внутри стакана с формированием струй. При R<1,5b возможно размывание внешних кромок отверстий в процессе заливки металла в стакан. Кроме этого, ухудшается перемешивание металла в донной части стакана и нарушаются необходимые условия формирования струи на внутренней поверхности за счет стесненности пространства стакана. При R>6,0b увеличиваются габариты стакана, а соответственно его вес. Кроме этого, увеличиваются потери на трение потенциальной энергии уровня металла в стакане, преобразуемой в кинетическую энергию истекающих струй.

Расстояние между внутренними кромками отверстий в донной части стакана составляет С=(1-10)b на фиг.1. Уменьшение расстояния С<b ухудшает истечение металла через отверстие стакана за счет нарушения сплошности струи. Кроме этого, в процессе работы стакана возможно размыкание внутренних кромок металлом с последующим их смыканием (отсутствует расстояние между кромками). По этой причине поток металла в недостаточной степени формируется на внутренней поверхности стакана, уменьшается кинетическая энергия истекающего металла, то есть его скорость. Дополнительно к этому, уменьшается вращательный момент струи, что в итоге ухудшает перемешивание расплава в горизонтальной плоскости кристаллизатора.

Увеличение расстояния между кромками отверстий С>10b увеличивает габариты стакана и его вес.

На фиг. 1 приведен внешний вид разливочного стакана заявляемого устройства в вертикальной плоскости; на фиг.2 сечение стакана в горизонтальной плоскости в районе выходных отверстий; на фиг.3 внешний вид заявляемого устройства в вертикальной плоскости; на фиг.4 расположение оси выходного отверстия стакана с поверхностью наклонной стенки и картина течения разливаемого металла в горизонтальной плоскости кристаллизатора; на фиг.5 - расположение оси выходного отверстия стакана к горизонтали.

На фиг.1 параметры h и h' соответственно обозначают действительную высоту выходного отверстия стакана и ее проекцию в вертикальной плоскости; d_в и d_н соответственно внутренний и наружный диаметры стакана.

Заявляемое устройство на фиг.3 и 4 состоит из промежуточного ковша 1 со стопорным механизмом, погружного глуходонного разливочного стакана 2 с двумя сквозными выходными отверстиями, кристаллизатора 3 с подвижными вертикальными 4 и наклонными стенками 5.

Предварительно перед разливкой металла нижняя часть кристаллизатора перекрывается специальным приспособлением (затравкой), предотвращающим выливание из него расплава. Стакан устанавливается в кристаллизаторе 3 с поворотом вокруг собственной оси на угол β = 2-10^° и на необходимой глубине.

Работа устройства на фиг.3 и 4 заключается в следующем.

При помощи стопорного механизма жидкий металл из промежуточного ковша 1 через стакан 2 поступает в кристаллизатор 3 и заполняет его. По мере погружения выходных отверстий стакана в расплав включается привод наклонных 5 и вертикальных 4 стенок кристаллизатора. При этом стенки 4 совершают возвратно-поступательное движение, а наклонные стенки 5 сложное вращательное движение с обжатием металла и его выталкиванием на вертикальный калибровочный участок.

Промышленные испытания погружных разливочных стаканов спроектированной по закону y= 0,5x^m формой отверстия и изготовленных из кварцевого стекла в процессе разливки через них различных марок металла на металлургическом комбинате "Азовсталь" показали: в пристеночных слоях кристаллизатора выравнивается поле скоростей и температур расплава, вымываются неметаллические включения из корковой зоны, повышается КПД кристаллизатора (увеличивается на 8-10% количество отводимого тепла), снижается балл по трещинам, перпендикулярным широким стенкам [3]
Источники информации
1. А. с. СССР N 1816530, кл. B 22 D 11/10. Устройство для непрерывной разливки плоских слитков. В.В.Стулов, Г.А.Николаев, О.В.Носоченко и др. Опубл. бюл. N 19, 1993.

2. Патент РФ N 2041011, кл. B 22 D 11/04. Устройство для непрерывного литья заготовок. В.И.Одиноков. Опубл. 09.08.95, бюл. N 22.

3. Совершенствование процесса непрерывной разливки стали за счет измерения способа подвода жидкого металла в кристаллизатор. Отчет ДГУ. Днепропетровск, 1991, Гос. рег. N 01.9.00017725, 52 с.

Изобретение направлено на создание высокопроизводительного процесса получения непрерывно-литых заготовок. Это обеспечивается выполнением поверхности выходных отверстий стакана по закону y = 0,5 Х^m (m = 2,3,4). Дополнительно к этому, угол установки оси выходного отверстия стакана к поверхности наклонной грани "β" и угол наклона оси вниз к горизонтали "α" равны β = 2-10^° и α = 5-10^° , причем выходные отверстия стакана расположены параллельно наклонной грани под углом γ к поверхности. Для улучшения перемешивания металла внутри стакана его донная часть выполнена сферической с радиусом R = (1,5-6,0)b при расстоянии между внутренними кромками щелевых отверстий в донной части стакана С = (1-10)b , где b - ширина выходного отверстия стакана. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1 1. Устройство для непрерывной разливки заготовок, содержащее кристаллизатор с широкими и узкими стенками, выполненными с возможностью перемещения, одна пара из которых расположена вертикально, а другая под углом к вертикали, промежуточный ковш с погружным разливочным глуходонным стаканом, в нижней части боковой поверхности которого выполнены напротив друг друга сквозные отверстия для выпуска металла, отличающееся тем, что оси отверстия для выпуска металла параллельны наклонным стенкам кристаллизатора и составляют с его горизонтальной плоскостью угол 5 10<198>, причем внутренняя форма отверстий спрофилирована по закону6 Y 0,5x<M^>m<D>,1 где m 2, 3, 4.2 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что разливочный стакан установлен в кристаллизаторе с поворотом вокруг собственной оси на угол 2 10<198>.2 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что донная часть стакана выполнена сферической радиусом R (1,5 6,0)b, а расстояние между внутренними кромками отверстий в донной части стакана С (1 10)b, где b ширина выходного отверстия стакана.